Come testare le prestazioni di raffreddamento degli stampi per stampa 3D in metallo?

一, Parti principali del test delle prestazioni di raffreddamento
1. Testare le prestazioni termodinamiche
Misurare la conduttività termica è un modo importante per scoprire quanto bene i materiali trasportano il calore. Il metodo flash laser ASTM E1461 può valutare con precisione la diffusività termica dei materiali dello stampo tra -100 e 500 gradi Celsius. Un gruppo di ricerca ha testato l’acciaio per stampi H13 stampato in 3D e ha scoperto che la sua conduttività termica era di 28,5 W/(m · K), ovvero il 12% in più rispetto alle procedure di forgiatura standard. Questo perché la stampa 3D crea una struttura a grana fine unica.

L'obiettivo principale dell'analisi della resistenza termica è scoprire quanto bene lo stampo trasferisce il calore. Per creare mappe delle nuvole con gradiente di temperatura, è possibile posizionare le termocoppie in punti importanti sullo stampo e utilizzare tecnologie di imaging termico a infrarossi per combinarle. Un test effettuato da una determinata azienda che produce componenti per automobili indica che la temperatura del nucleo dello stampo per pressofusione in lega di alluminio stampato in 3D-rimane entro ± 3 gradi dopo aver realizzato 1000 stampi di fila. Questo è inferiore del 60% rispetto agli stampi tradizionali.

2. Prove di fluidodinamica
Testare la caratteristica della caduta di pressione è un buon modo per vedere se la progettazione del circuito dell'acqua di raffreddamento è ragionevole. Il dispositivo di calibrazione del flusso Micronics PT100 è in grado di rilevare correttamente la perdita di pressione nel corso d'acqua quando la portata è compresa tra 0,1 e 100 l/min. Un caso di studio di uno stampo per imballaggi elettronici ha dimostrato che il canale dell'acqua di raffreddamento a spirale stampato in 3D- ha perso solo 0,8 kPa a una portata di 20 l/min, ovvero il 45% in meno rispetto al tradizionale canale dell'acqua di perforazione. Ciò dimostra che il design del canale è più in linea con i principi della fluidodinamica.

Per eseguire il test di uniformità del flusso viene utilizzata una rete di sensori di flusso multi-canale. Un team di ricerca ha allestito 12 siti di monitoraggio del flusso in un complicato stampo con cavità stampata in 3D-. Hanno osservato che la deviazione del flusso di ciascun canale veniva mantenuta entro ± 2% per garantire che il mezzo di raffreddamento fosse distribuito uniformemente. Questa procedura di test è ottima per gli stampi ad alta-precisione utilizzati nel settore aerospaziale. Ad esempio, uno stampo di supporto satellitare che ha perfezionato il modello del corso d'acqua per ridurre la deformazione della deformazione del prodotto da 0,3 mm a 0,05 mm.

2, Un sistema per testare su scale diverse
1. Test su scala microscopica
Lo studio metallografico può mostrare le-proprietà microstrutturali uniche della stampa 3D. Con un microscopio metallografico Olympus BX53M, puoi vedere fini grani colonnari realizzati utilizzando il processo di fusione laser a letto di polvere (LPBF). Questi grani sono più piccoli di oltre il 50% rispetto a quelli realizzati con i tipici metodi di fusione. Questa microstruttura rende il materiale molto più efficace nel gestire la fatica termica. Dopo 10^6 cicli termici, un determinato test ha dimostrato che gli stampi stampati in 3D presentano ancora una struttura a bordi di grano completa, mentre gli stampi tradizionali presentavano fessure evidenti.

Per individuare la porosità viene utilizzato il porosimetro a intrusione di mercurio Micromeritics AutoPore V. Può trovare correttamente dove si trovano i pori nello stampo. Un test sullo stampo di un impianto medico ha indicato che modificando le impostazioni di stampa, la porosità poteva essere ridotta dallo 0,5% allo 0,08% e la dimensione dei pori era per lo più compresa tra 1 e 5 μm. Questa struttura spessa impedisce la fuoriuscita del mezzo di raffreddamento e rende lo stampo più resistente.

2. Sperimentazione su larga scala
Il monitoraggio dinamico delle immagini termiche è un modo semplice per vedere quanto uniformemente si stanno raffreddando gli stampi. La termocamera FLIR T865 può mostrare come varia la temperatura sulla superficie dello stampo in tempo reale. Ha una risoluzione di 640 × 480 e può vedere temperature da -40 gradi a 1500 gradi. Durante il test di un determinato stampo della testata del motore di un’automobile, i ricercatori hanno confrontato le immagini termiche della stampa 3D e degli stampi tradizionali. Hanno scoperto che la deviazione standard della distribuzione della temperatura dello stampo di stampa 3D era di soli 1,2 gradi, ovvero del 75% inferiore a quella dello stampo tradizionale. Ciò ha dimostrato che il design conforme del circuito dell’acqua di raffreddamento ha fatto una grande differenza nel bilancio termico.

La macchina per prove di fatica MTS 370.10 viene utilizzata per la prova di durata a fatica. Simula come cambierebbero le prestazioni dello stampo dopo 1 milione di cicli a caldo e a freddo con un intervallo di carico di ± 25 kN.. 3D L'acciaio per stampi stampato mantiene il 90% della sua durezza originale dopo 500.000 cicli, mentre gli stampi tradizionali perdono il 30% della loro durezza nelle stesse condizioni. Questo perché la tecnologia di stampa 3D elimina la concentrazione dello stress interno.

3, Utilizzo delle più recenti tecniche di test
1. La tecnologia dei gemelli digitali
Un modello gemello digitale del processo di raffreddamento dello stampo può essere realizzato combinando il software di analisi del flusso dello stampo Moldflow con metodi di apprendimento automatico. Un gruppo di studio ha creato un modello di intelligenza artificiale in grado di indovinare la distribuzione di temperatura, velocità e pressione in una determinata area allenandosi su 36.000 set di dati parametrizzati sulla forma delle pinne. I risultati previsti del modello corrispondono bene ai dati dei test reali, con un tasso di precisione del 95%. Questo è migliore del 40% rispetto ai metodi empirici standard e riduce il tempo necessario per realizzare uno stampo.

2. Una rete di minuscoli sensori
L'inserimento di un microsensore di temperatura e pressione all'interno dello stampo potrebbe consentire di tenere d'occhio il processo di raffreddamento in tempo reale. Uno studio particolare ha utilizzato 24 sensori MEMS in un minuscolo scambiatore di calore-stampato in 3D per misurare con successo variazioni di temperatura locale di 0,1 gradi, fornendo un supporto dati preciso per la gestione del canale. Questa tecnica è ottima per realizzare stampi ad alta-precisione nel settore aerospaziale. Ad esempio, uno stampo per ugello di un motore a razzo che controlla le variazioni di temperatura nell'area di concentrazione dello stress termico entro ± 5 gradi attraverso una rete di sensori.

4. Standard e criteri per le prove nel settore
La norma ISO 23499-2017, "Standard di valutazione della qualità per la stampa 3D in metallo", è stata pubblicata dall'Organizzazione internazionale per la standardizzazione (ISO). Stabilisce lo standard per la valutazione delle prestazioni di raffreddamento. Il test di conduttività termica dovrebbe seguire lo standard ASTM E1461, il test di caduta di pressione dovrebbe seguire la specifica ISO 527-2 e il test di resistenza alla fatica dovrebbe seguire lo standard ISO 1217. In Cina, standard come GB/T 39251-2020 “Metodi di caratterizzazione per le proprietà delle polveri metalliche nella produzione additiva” forniscono al settore una serie completa di specifiche tecniche.